閘極對十二烷基硫醇分子元件的調變影響

The effect of gate modulation on dodecanethiol molecular devices

黃弘順(Hung-Shun Hwang)

指導教授 ： 周亞謙

國立清華大學/理學院/物理學系/碩士(2006年)

摘要

我們利用半導體製程，在SOI(silicon-on-insulator)的晶圓上，做出奈米孔洞，最後形成金屬-分子-金屬接面，並藉著圍繞在SAM周圍的閘極，來對分子調變影響，且在不同溫度下進行I-V曲線的量測。本論文專注於十二烷基硫醇(dodecanethiol)的自組單分子層(SAMs)電子傳輸(electron transport)特性，在閘極電壓(gate voltage, Vg)影響下，分子電流(Id) versus 汲極電壓(drain voltage, Vd)曲線分別在Vd > 0與 Vd < 0變化情形如下：
在Vd > 0且Vg < 0時Id曲線會有交錯的情形，並且隨著Vg > 0，Id值就越小;在Vd < 0，隨著Vg從負到正，|Id|值就越大，並且曲線變化越明顯。
首先，我們使用半導體元件分析方法，探究分子的傳導機制(conduction mechanisms)，且計算出分子能障高度 (barrier height)在閘極電壓下的變化情形，並發現 的變化與汲極電壓跟閘極電壓有關。後更進一步的從分子能階出發，透過理論計算與物理模型，來解釋Id versus Vg曲線：
當Vd < 0，隨著Vg從正到負，Id值增加，約在Vg = 2.7V 斜率達到較大值，之後Id呈現飽和狀態；在-2.7V > Vg > -5.5V ，Id值減少；在更小的Vg時，Id值鮮明地增加。Id曲線中三個峰值(peaks)分別來自HOMO(highest occupied molecular orbital)、hybrid、LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) level，並且可約略估算出分子能隙(Eg) > 12.7eV。未來我們將分子模型與半導體元件分析結果統合，試著找出較佳的模型架構。
在實驗過程中，我們發現另個有趣的現象，Id versus Vd會有階梯狀(steplike)的電流曲線，並且可藉由閘極電壓跟溫度來改變階梯斜率大小和其所跨過的汲極電壓區間範圍(width)。

關鍵字

自組單分子層 ； 硫醇 ； 分子元件 ； 電子傳輸 ； I-V ； 溫度 ； 閘極調變 ； HOMO-LUMO ； 十二烷基硫醇分子

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無資料

並列關鍵字

SAMs ； Alkanethiol ； molecular devices ； Electrical transport ； I-V ； Temperature ； Gate modulation ； HOMO-LUMO ； Dodecanethiol

參考文獻

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